基于相位解调的高速高精度光纤形状测量方法

本发明涉及光纤传感，尤其涉及一种基于相位解调的高速高精度光纤形状测量技术。

背景技术：

1、形状测量是一个通用的术语，它是指测量三维空间中的某一结构的具体位置。常规的测量形状的方法十分有限，如物理性地测量沿绳子上的每一英寸处的位置坐标或通过相机拍照的方法。然而它们均无法准确获取物体的三维形状信息，另一方面，如果物体无法物理性地接触到或看到，如装在一个密封的盒子里，那么如何进行这种测量就成为了一个问题，此时光纤形状传感(foss)的优势就体现出来了。

2、测量光纤形状的常规方法是采用应变作为基础测量信号。当光纤被弯曲时，弯曲外侧上的材料被拉长，而弯曲内侧上的材料被压缩。如果知道整根光纤的局部应变变化以及光纤起始位置，就可以计算出光纤的形状位置信息。高精度的光纤形状测量在例如民用、机械、航空航天、生物、医疗等许多领域中都有应用，且在大多数的这些应用场景中，形状感测系统必须能精确地确定光纤的位置，例如要求相对位置误差小于其长度的百分之一。目前针对形状测量问题存在许多方法，但是均未充分满足多数应用的要求，因为它们太慢，不能满足实时性的测量需求，或者不能充分地补偿光纤的扭转导致精度不够。这些都削弱了光纤形状传感的实际应用价值。

3、为了实现高速高精度的形状位置测量，必须解决几个关键的问题。首先，光频域反射技术(ofdr)凭借它在短距离下的高分辨力与测量精度，成为光纤形状测量上最理想的方式之一。然而ofdr中最经典的应变解调方法是基于互相关原理来实现的，这种方法的计算时间太长不利于实时的形状测量，因此必须找到一种新的能够进行快速高精度应变解调的方法。

4、其次，光纤在实际应用过程中不可避免地会引入扭转，而扭转会直接导致弯曲方向角计算错误，因此必须要高精度地测量到光纤中存在的扭转，且要在后续形状计算中对其进行补偿。通过采用螺旋式的且具有中央纤芯的多芯光纤，就可以感测光纤的扭转。但问题是，对于紧密缠绕型的螺旋多芯光纤，外围纤芯与中央纤芯之间存在力的相互作用，因此不能基于传统的螺旋多芯光纤的扭转模型来进行测量，需要建立一个新的扭转测量模型。

5、第三，传统的形状重构方法是基于frenet-serret框架的空间微分几何重构方法，然而这种方法有它的局限性，比如对于含有直线段和奇异值点的曲线这种方法的重构精度很低，且由于要通过数值方法求解微分方程，使得这种方法的计算速度很慢，不适用于实时的形状检测，因此，希望有一种可以快速进行形状重构的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高速高精度光纤形状测量方法，检测多芯光纤的各个芯中沿光纤的光相位变化，基于所检测到的光相位变化并结合去相位跳变滤波方法计算多芯光纤上的该点处应变大小，进一步计算出该位置处的曲率和弯曲方向角。通过综合比较各个纤芯中应变大小计算出光纤的外部扭转并对弯曲方向角进行补偿。最后基于补偿后的曲率和弯曲方向角利用旋转最小标架法进行形状重建实现光纤形状测量。技术方案如下：

2、一种基于相位解调的高速高精度光纤形状测量方法，使用含长周期光纤光栅的螺旋多芯光纤，基于多通道ofdr的分布式三维形状传感测量装置实现，通道数不少于纤芯数，其特征在于，包括如下步骤：

3、(1)去相位跳变的差分相位应变解调，方法如下：

4、s1.1：进行两组实验，其中一组光纤处于直线状态即不施加任何应变作为参考组；另一组光纤处于弯曲状态作为测量组；将采集到的两组拍频信号分别进行快速傅里叶变换转化到距离域并提取光相位信息；

5、s1.2：假设光源的起始波长严格相等，对两组相位信号作差得到由应变引起的光相位变化，得到差分相位；

6、s1.3：对差分相位进行相位解缠绕，对解缠绕后的差分相位数据进行求导，求导后的相位变化率反映了光纤中各个位置的应变大小；

7、s1.4去除奇异值点；

8、s1.5：利用周围的正常点对奇异值点进行插值处理得到去跳变后的微分相位数据；

9、s1.6：结合零相位低通滤波去掉高频噪声，实现应变数据解调。

10、(2)多芯光纤的光纤外部扭转补偿

11、基于步骤(1)所获得的解调后的应变数据，由光纤外部扭转引起的应变由外围纤芯应变的平均消除共模应变后计算得到，其中，共模应变通过计算多个纤芯中的应变均值得到；根据扭转参数计算光纤的外部扭转并在计算弯曲方向时进行补偿。

12、(3)基于旋转最小框架的形状重建：将曲线看作由很多曲率半径固定的微小圆弧段组成，圆弧的半径和方向通过曲线在该点处的曲率和弯曲方向角计算得到，通过旋转最小标架的方法将每一个圆弧微段进行拼接就得到整根光纤的形状。

13、进一步地，s1.4中判断奇异值点的方法如下：

14、s1.4求导后的相位变化率反映了光纤中各个位置的应变大小记为

15、s1.4：将沿光纤分成若干段，每段长度为n，计算每一段的绝对中位差mad；

16、s1.5：设定大于1的判定系数q，计算每一段数据中各个数据点与中位数的绝对偏差δabs,当δabs＞q*mad时认为该点是奇异值点，否则为正常点。

17、进一步地，其特征在于，q＝1.4826。

18、进一步地，步骤(2)具体步骤如下：

19、s2.1：解调获取中心纤芯和各个外周纤芯的应变数据；

20、s2.2：共模应变通过各根纤芯中的应变均值得到，记为εa；

21、s2.3：计算外围纤芯中由扭转产生的应变εtwist；

22、s2.4：计算多芯光纤受到的外部扭转率：

23、

24、其中，εc为中央纤芯应变，γ0是光纤的初始公称自旋率，由γ0＝2π/h得到，h是光纤的初始螺距，r为多芯光纤的纤芯距，γ反映了光纤各个位置的外部扭转率；

25、s2.5：获得光纤的外部扭转补偿。

26、进一步地，步骤s2.4中计算多芯光纤受到的外部扭转率的方法如下：

27、

28、其中，εc为中央纤芯应变，γ0是光纤的初始公称自旋率，由γ0＝2π/h得到，h是光纤的初始螺距，r为多芯光纤的纤芯距，γ反映了光纤各个位置的外部扭转率。

29、进一步地，步骤s2.5中，利用计算出的外部扭转角对光纤的弯曲方向进行外部扭转补偿的公式为：

30、θ＝θ0-∫γds

31、其中θ0是未补偿扭转前的弯曲方向角，θ是补偿扭转后的弯曲方向角。

32、进一步地，步骤(3)具体步骤如下：

33、s3.1：计算各点的相对坐标：将曲线看作由许多曲率半径固定的微小圆弧段组成，根据光纤各个位置的曲率计算各点相对于其上一个点的相对坐标；

34、s3.2：计算各点的最小标架的坐标旋转矩阵：各点的最小标架是该点的一个笛卡尔坐标系，坐标系的x,y,z三个坐标轴方向分别定义为该点的切向量方向、主法向量和副法向量方向；后一个点的最小标架由前一个点的最小标架经旋转变换得到；其中沿x轴的旋转角度为该点的弯曲方向角变化，沿z轴的旋转角度为该圆弧微段所对应的圆心角，由此构建各点相对于前一个点的坐标旋转矩阵，计算出各点最小标架的坐标旋转矩阵；

35、s3.3：计算各点的绝对坐标，获得光纤的三维形状坐标。

36、进一步地，步骤s3.3的方法如下：在已知各点的相对坐标和最小标架旋转矩阵的情况下，通过坐标变换将各点的相对位置坐标转化为相对于大地坐标系的绝对坐标，即为光纤的三维形状坐标。